摘要：以自制濕固化型聚氨酯熱熔膠（PUR）為研究對(duì)象，通過對(duì)前風(fēng)擋玻璃粘接膠受力分析，PUR聚氨酯熱熔膠在不同養(yǎng)護(hù)溫度、不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下的初始粘接強(qiáng)度和初始剪切強(qiáng)度的綜合分析安全駛離限制性條件。結(jié)果表明，當(dāng)溫度T≤-10℃時(shí)，汽車前風(fēng)擋玻璃維修后在0.5h達(dá)到快速安全駛離。
關(guān)鍵詞：濕固化型聚氨酯熱熔膠；風(fēng)擋玻璃維修；快速安全駛離
Analysis the restrictedly factors of fast driving away for windscreen with PUR maintaining
Li Zhongjing, Luo Xi, Zhong Tian, Zhan Feng
(Guangdong pustar adhesives & sealants Co., Ltd., Dongguan Guangdong 523600)
Abstract: PUR which prepared by ourselves had been researched. The automobile front windscreen adhesive was to be stress analysis. The PUR initial adhesive strength and initial shear strength were to be researched by different curing temperature and times to analysis the restrictedly factors of fast driving away. The results showed that T≤-10oC, the automobile front windscreen can safe driving fast in 0.5h after repairing.
Keywords: PUR, maintaining of windscreen, fast driving away
聚氨酯粘接膠是汽車風(fēng)擋玻璃安裝的最好粘接材料，世界95%的汽車風(fēng)擋玻璃均采用單組分濕氣固化聚氨酯粘接膠[1,2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)快速裝配及汽車維修市場快速安全駛離要求越來越高，普通單組分濕氣固化聚氨酯粘接膠的性能受壞境影響非常大，尤其是低溫壞境下體系反應(yīng)活性低，初始粘接強(qiáng)度小，安全駛離時(shí)間太長，已無法滿足社會(huì)需求[3,4]。濕固化型聚氨酯熱熔膠（簡稱PUR）采用加熱施工，分別依靠物理結(jié)晶和化學(xué)交聯(lián)固化兩種方式實(shí)現(xiàn)快速定位和形成最終粘接強(qiáng)度，兼具熱熔型膠粘劑和反應(yīng)型膠粘劑兩類膠粘劑的優(yōu)點(diǎn)[5,6]，不斷受到相關(guān)研究人員的重視。本文以自制PUR作為研究對(duì)象，通過對(duì)前風(fēng)擋玻璃粘接膠進(jìn)行受力分析，重點(diǎn)考察PUR養(yǎng)護(hù)時(shí)間、養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)初始粘接強(qiáng)度和初始剪切強(qiáng)度的影響，并確定PUR用于汽車風(fēng)擋玻璃維修時(shí)達(dá)到快速安全駛離的最佳條件。
1 實(shí)驗(yàn)部分
表1 PUR的基本性能
|
項(xiàng)目 |
測試結(jié)果 |
項(xiàng)目 |
測試結(jié)果 |
|
密度（g/cm3） |
1.29 |
邵氏硬度（Shore A） |
60 |
|
固含量（%） |
99.2 |
拉伸強(qiáng)度（MPa） |
8.4 |
|
固化速度(mm/24h) |
3.1 |
拉斷伸長率（%） |
469 |
|
下垂度（mm） |
0 |
撕裂強(qiáng)度（N/mm） |
29.3 |
|
表干時(shí)間（min） |
10 |
剪切強(qiáng)度（MPa） |
5.9 |
選取自制的PUR作為研究對(duì)象，其基本性能（測試前PUR需放置于80℃烘箱內(nèi)預(yù)熱1h，然后在標(biāo)態(tài)下進(jìn)行測試）如表1所示，符合標(biāo)準(zhǔn)HG/T4363-2012《汽車車窗用單組份聚氨酯膠粘劑》[7]中Ⅰ型產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求。初始粘接強(qiáng)度測試：以尺寸60*25*5mm的普通浮法玻璃為測試基材（經(jīng)底涂預(yù)處理）制作圖1所示初始粘接測試試樣，膠粘尺寸為40*10*10mm。分別在溫度-20℃、-10℃、0℃、10℃和23℃條件下養(yǎng)護(hù)0.5h、1h、2h、3h、4h和5h時(shí)間后，用高低溫拉力試驗(yàn)機(jī)以50mm/min的速度拉至破壞（圖1），記錄各養(yǎng)護(hù)點(diǎn)最大力F拉，拉伸強(qiáng)度δ=F拉/(a*b) ，其中：δ為拉伸強(qiáng)度，MPa；F拉為破壞荷載，N；a為試件粘接面長度，mm；b為試件粘接面寬度，mm。初始剪切強(qiáng)度測試：按GB/T7124-1986標(biāo)準(zhǔn)制樣[8]，按照初始粘接強(qiáng)度測試條件進(jìn)行試樣養(yǎng)護(hù)后，用高低溫拉力試驗(yàn)機(jī)以50mm/min的速度拉至破壞，記錄各養(yǎng)護(hù)條件最大破壞力F剪，剪切強(qiáng)度τ=F剪/(a*b),其中：τ為剪切強(qiáng)度，MPa；F剪為破壞荷載，N；a為試件搭接面長度，mm；b為試件搭接面寬度，mm。PUR固化情況測試：按HG/T4363-2012中固化速度進(jìn)行測試，分別測試PUR在上述時(shí)間點(diǎn)（與初粘粘接強(qiáng)度時(shí)間間隔一致）的固化情況。DSC曲線測定：采用德國Netzsch公司的Perkirr Elmer型差示掃描量熱儀在N2氣氛下測試PUR的DSC曲線，升溫速率為10K/min。
圖1 初始粘接測試示意圖
2 結(jié)果與討論
2.1 前擋玻璃粘接膠受力分析
以小型汽車前擋玻璃維修為例，安裝維修后行駛速度V0正面碰撞障礙物，時(shí)間t后停止，速度Vt=0，設(shè)汽車前進(jìn)方向?yàn)檎较?，為保險(xiǎn)起見假定駕駛員受到的阻力完全由前擋玻璃提供，以前擋玻璃與駕駛員作為整體研究對(duì)象，總重量為m，根據(jù)沖量公式I=Ft=mVt-mV0，由于Vt=0，F=-mV0/t，方向與前進(jìn)方向相反。同樣以前擋玻璃和駕駛員作為研究對(duì)象，前擋玻璃與水平面所成夾角為θ，受到水平方向力F，受到垂直向下重力G ，其受力分析如圖2所示，受到垂直斜面向下拉力F拉= F·sinθ-mg·cosθ=mV0/t·sinθ+mg·cosθ ②；受到沿斜面向上剪切力：F剪=mg·sinθ+ F·cosθ= mg·sinθ+mV0/t·cosθ ③。通過公式可計(jì)算出前擋玻璃受到的最大粘接強(qiáng)度δmax和最大剪切強(qiáng)度τmax。
圖2 前擋玻璃受力分析
假設(shè)某小汽車前擋玻璃重量m1為12kg，駕駛員質(zhì)量m2為60kg，g取10N/kg，汽車初始速度V0為48km/h（即V0=13.3m/s），水平正面碰撞障礙物，在時(shí)間t為0.15s[9]時(shí)停止運(yùn)動(dòng)（Vt=0），前擋玻璃與水平面的夾角θ為30°，前擋玻璃與車框的粘接長度a為4300mm，粘接寬度b為10mm，代入②式可得δmax=0.06MPa，代入③式可得τmax=0.14MPa。
2.2初始粘接強(qiáng)度性能分析
圖3 養(yǎng)護(hù)時(shí)間與初始粘接強(qiáng)度的關(guān)系 圖4 PUR的DSC曲線
圖3為養(yǎng)護(hù)時(shí)間與初始粘接強(qiáng)度的關(guān)系。可以看出，同一養(yǎng)護(hù)溫度下，養(yǎng)護(hù)時(shí)間與初始粘接強(qiáng)度成正比，養(yǎng)護(hù)溫度低于PUR結(jié)晶溫度（見圖4，T=13.6）時(shí)，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長，初始粘接強(qiáng)度變化不大，養(yǎng)護(hù)溫度高于PUR結(jié)晶溫度時(shí)（如23℃）隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長初始粘接強(qiáng)度變化最大，由0.11MPa變化至0.57MPa，增加了418.18%。原因是，養(yǎng)護(hù)溫度低于PUR結(jié)晶溫度時(shí)，初始粘接強(qiáng)度主要靠聚合物結(jié)晶產(chǎn)生內(nèi)聚力，養(yǎng)護(hù)溫度高于PUR結(jié)晶溫度，PUR結(jié)晶能力消失，初始粘接強(qiáng)度主要來自其交聯(lián)固化的厚度，而在短時(shí)間內(nèi)其交聯(lián)固化的厚度較?。ū?span>2），養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，PUR交聯(lián)固化厚度增大，初始粘接強(qiáng)度變化大。由圖3還可以看出，同一養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，養(yǎng)護(hù)溫度越低，初始粘接強(qiáng)度越大，在-20℃條件下養(yǎng)護(hù)0.5h時(shí)，PUR初始粘接強(qiáng)度可達(dá)到0.38MPa，隨著養(yǎng)護(hù)溫度的增大，初始粘接強(qiáng)度增大，原因是溫度越低，PUR交聯(lián)固化越慢，短時(shí)間PUR從較高溫度快速冷卻，結(jié)晶速度越快，高聚物鏈段收縮快，晶體緊密堆砌程度增大，體積收縮快，內(nèi)聚力越大。
表2 PUR不同溫度5h內(nèi)的固化情況
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養(yǎng)護(hù)溫度/℃ |
交聯(lián)固化厚度/mm |
|||||
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0.5h |
1h |
2h |
3h |
4h |
5h |
|
|
23 |
Ο |
0.27 |
0.49 |
0.76 |
0.99 |
1.18 |
|
10 |
Ν |
Ν |
Ο |
0.25 |
0.34 |
0.48 |
|
0 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ο |
0.22 |
0.42 |
|
-10 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ο |
0.23 |
|
-20 |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν |
Ν—PUR未表干成膜；Ο—PUR剛表干成膜。
同時(shí)可以看出（圖3），養(yǎng)護(hù)時(shí)間為t＜2h時(shí)，初始粘接強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間t≥2h，隨養(yǎng)護(hù)溫度升高，初始粘接強(qiáng)度先減小后增大。原因是養(yǎng)護(hù)溫度升高，PUR的結(jié)晶度逐漸減小，初始粘接強(qiáng)度下降，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，PUR逐漸交聯(lián)固化，養(yǎng)護(hù)時(shí)間t≤2h時(shí)，PUR交聯(lián)固化的厚度較?。ū?span>2），PUR結(jié)晶度減小對(duì)初始粘接強(qiáng)度下降影響遠(yuǎn)大于PUR交聯(lián)固化產(chǎn)生的初始粘接強(qiáng)度，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間t≥2h后， PUR交聯(lián)固化厚度逐漸增大，初始粘接強(qiáng)度主要與PUR交聯(lián)固化厚度有關(guān)，故初始粘接強(qiáng)度逐漸增大。綜上所述，在-20℃～23℃下，PUR在0.5h均可達(dá)到快速安全駛離最大粘接強(qiáng)度δmax=0.06MPa。
2.3 初始剪切強(qiáng)度性能分析
圖5養(yǎng)護(hù)時(shí)間與初始剪切強(qiáng)度的關(guān)系
由圖5可知，初始剪切強(qiáng)度的隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)溫度的變化規(guī)律與初始粘接強(qiáng)度基本一致。通過與初始粘接強(qiáng)度對(duì)比可知，初始剪切強(qiáng)度在相同條件下比初始粘接強(qiáng)度數(shù)值上約小一半。這是由于PUR未固化時(shí)為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，并非交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，故剪切力比粘接力更容易使PUR鏈斷裂。當(dāng)溫度T≤-10℃，PUR在0.5h即可達(dá)到快速安全駛離最大剪切強(qiáng)度τmax=0.14MPa；當(dāng)溫度在-10℃＜T≤0℃，PUR在4.0h后能達(dá)到快速安全駛離最大剪切強(qiáng)度；溫度在0℃＜T＜23℃時(shí)，PUR在2.0h內(nèi)無法達(dá)到快速安全駛離最大剪切強(qiáng)度；當(dāng)溫度T≥23℃時(shí)，PUR能在2.0h達(dá)到快速安全駛離最大剪切強(qiáng)度τmax=0.14MPa。
2.4 安全駛離條件綜合分析
表3 綜合安全駛離時(shí)間對(duì)比表
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溫度（℃） |
單項(xiàng)安全駛離時(shí)間（h） |
綜合安全駛離時(shí)間（h） |
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初始粘接 |
初始剪切 |
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-20 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
|
-10 |
0.5 |
0.5 |
0.5 |
|
0 |
0.5 |
4 |
4 |
|
10 |
0.5 |
/ |
/ |
|
23 |
0.5 |
2 |
2 |
綜合初始粘接強(qiáng)度和初始剪切強(qiáng)度確定安全駛離時(shí)間列于表3?？梢钥闯觯?dāng)溫度T≤-10℃，安全駛離的時(shí)間為0.5h；當(dāng)溫度-10℃＜T≤0℃，其安全駛離時(shí)間為 0.5～4.0h；當(dāng)溫度為0℃＜T≤10℃，安全駛離時(shí)間＞4h；當(dāng)溫度10℃＜T＜23℃，在2.0h內(nèi)無法達(dá)到安全駛離；當(dāng)溫度T≥23℃，安全駛離時(shí)間為2.0h。由此看出，PUR特別適用于低溫條件下（T≤-10℃）要求快速駛離的風(fēng)擋玻璃維修，安全駛離時(shí)間為0.5h。
3 結(jié)論
1、理論分析小汽車正面碰撞前風(fēng)擋玻璃受到情況，并通過假定估算出最大粘接強(qiáng)度δmax=0.06MPa和最大剪切強(qiáng)度τmax=0.14MPa；
2、通過對(duì)PUR初始粘接強(qiáng)度和初始剪切強(qiáng)度性能分析，同一養(yǎng)護(hù)溫度下，初始粘接強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間成正比；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為t＜2h時(shí)，初始粘接強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度的升高而降低，養(yǎng)護(hù)時(shí)間t≥2h，隨養(yǎng)護(hù)溫度升高，初始粘接強(qiáng)度先減小后增大，初始剪切強(qiáng)度的隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間和養(yǎng)護(hù)溫度的變化規(guī)律與初始粘接強(qiáng)度基本一致。
3、通過對(duì)PUR安全駛離條件綜合分析，得出PUR特別適用于低溫條件下（T≤-10℃）要求快速駛離的風(fēng)擋玻璃維修，安全駛離時(shí)間為0.5h。